地方應(yīng)用型本科高校瓦斯地質(zhì)課程改革的思考

李建樓

宿州學(xué)院地球科學(xué)與工程學(xué)院，安徽宿州，234000

煤層瓦斯作為一種地質(zhì)體，其主要成分是甲烷，生于煤層，儲(chǔ)于煤層，受地質(zhì)條件和歷史演化作用控制[1]。同時(shí)，由于煤田地質(zhì)條件復(fù)雜，煤礦開采過程中瓦斯災(zāi)害威脅嚴(yán)重，故瓦斯被稱為煤礦生產(chǎn)過程中的第一殺手。煤礦瓦斯災(zāi)害防治是全世界采煤國面臨的共同難題，瓦斯地質(zhì)理論是實(shí)現(xiàn)我國煤礦瓦斯災(zāi)害防治的重要基礎(chǔ)[2]。瓦斯地質(zhì)科學(xué)作為重點(diǎn)研究煤礦瓦斯地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生機(jī)理、預(yù)測和防治理論與技術(shù)的一門科學(xué)，把瓦斯作為地質(zhì)體，研究其生成、賦存、運(yùn)移和分布規(guī)律，微觀研究涉及煤的分子和孔隙結(jié)構(gòu)，宏觀研究涉及板塊和構(gòu)造。目前,宿州學(xué)院地質(zhì)工程專業(yè)使用的瓦斯地質(zhì)教材為普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材《瓦斯地質(zhì)學(xué)》，內(nèi)容豐富，涵蓋了國內(nèi)大部分煤田瓦斯分布特征，全面系統(tǒng)地反映了我國瓦斯地質(zhì)研究的最新成果。近年來，宿州學(xué)院地質(zhì)工程專業(yè)著手進(jìn)行專業(yè)綜合改革和強(qiáng)力推進(jìn)地礦類本科實(shí)踐教學(xué)改革，把專業(yè)建設(shè)視為學(xué)校的一項(xiàng)生命工程[3]。瓦斯地質(zhì)課程作為一門實(shí)用性很強(qiáng)的地礦類專業(yè)課程，課堂教學(xué)過程中采用了多種教學(xué)方法，充分利用了各種教學(xué)資源，加大了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的力度，改革了考核方法，提高了教學(xué)效果。

1 瓦斯地質(zhì)課程教學(xué)改革目標(biāo)

瓦斯地質(zhì)學(xué)是煤礦瓦斯治理和煤層氣資源開發(fā)的理論基礎(chǔ)，是宿州學(xué)院地質(zhì)工程、資源勘查工程專業(yè)的優(yōu)勢和特色課程。近幾年來，瓦斯地質(zhì)學(xué)的教學(xué)始終堅(jiān)持“夯實(shí)專業(yè)理論基礎(chǔ)，掌握基本操作技能、提高理論水平和創(chuàng)新能力”的教學(xué)理念，堅(jiān)持“工程性、技術(shù)性、生產(chǎn)性、應(yīng)用性” 的人才培養(yǎng)思路。瓦斯地質(zhì)學(xué)的具體目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生掌握瓦斯地質(zhì)學(xué)基本理論知識(shí)，具有較強(qiáng)認(rèn)識(shí)瓦斯地質(zhì)規(guī)律與解決瓦斯災(zāi)害治理方面的能力，能夠在煤礦瓦斯治理和瓦斯抽采技術(shù)方面發(fā)揮重要作用，能夠成為在煤炭及煤層氣行業(yè)服務(wù)的高層次科技人才。

2 瓦斯地質(zhì)課程教學(xué)內(nèi)容改革

課程教學(xué)內(nèi)容以煤礦瓦斯地質(zhì)災(zāi)害特征、機(jī)理及其預(yù)測、防治為核心，具體內(nèi)容包括煤層瓦斯生成理論、瓦斯的賦存和運(yùn)移規(guī)律、煤與瓦斯突出特征及其機(jī)理、煤體結(jié)構(gòu)特征、地質(zhì)構(gòu)造控制煤與瓦斯突出理論、煤與瓦斯突出預(yù)測方法與控制措施、瓦斯(煤層氣)資源地面開發(fā)、煤礦瓦斯地質(zhì)圖的編制等。對瓦斯的生成理論部分，以成煤作用過程為主線進(jìn)行展開論述，成煤作用過程分為兩個(gè)階段：泥炭化作用(或腐泥化作用)階段和煤化作用階段，兩個(gè)階段生成的瓦斯組分特征及成因各不相同。在泥炭化作用階段，沼澤里的植物殘?bào)w主要受生物化學(xué)作用轉(zhuǎn)化為泥炭，同時(shí)產(chǎn)出的氣稱生物成因氣，其中包含大量二氧化碳和甲烷；在煤化作用階段，固相煤物質(zhì)主要因受熱發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化，同時(shí)產(chǎn)出的氣稱熱成因氣?，F(xiàn)今煤層里的氣應(yīng)該是熱成因氣，其主要成分是甲烷。對瓦斯的賦存和運(yùn)移規(guī)律包括煤體孔隙與裂隙特征、煤體瓦斯賦存狀態(tài)與瓦斯吸附解吸特征、煤層瓦斯?jié)B透特征及影響因素、影響煤層瓦斯賦存和運(yùn)移的地質(zhì)因素等方面進(jìn)行講述。煤與瓦斯突出特征及其機(jī)理部分，對瓦斯的涌出、煤與瓦斯突出、瓦斯爆炸以及煤與瓦斯突出的綜合假說進(jìn)行講述。煤體結(jié)構(gòu)部分，對煤體宏觀結(jié)構(gòu)特征和分類、煤的分子結(jié)構(gòu)、構(gòu)造煤結(jié)構(gòu)演化和動(dòng)力變質(zhì)作用等方面進(jìn)行講述。地質(zhì)構(gòu)造控制煤與瓦斯突出理論部分，介紹中國地質(zhì)構(gòu)造分布特征、中國煤礦地質(zhì)構(gòu)造特征、中國煤層瓦斯分布特征、地質(zhì)構(gòu)造和構(gòu)造應(yīng)力對煤與瓦斯突出的影響等。煤與瓦斯突出預(yù)測方法與控制措施包括兩大部分：1)預(yù)測方法包括傳統(tǒng)的預(yù)測方法和現(xiàn)代地球物理方法；2)防治措施包括開采解放層、深孔松動(dòng)爆破、鉆孔抽采、水力壓裂、金屬骨架、通風(fēng)措施等。瓦斯(煤層氣)資源地面開發(fā)部分，介紹中國煤層瓦斯分布特征、中國煤層氣開發(fā)簡史、煤層氣開發(fā)工藝流程和煤層氣資源計(jì)算單元(塊段)劃分的原則等。煤礦瓦斯地質(zhì)圖編制部分，介紹瓦斯地質(zhì)圖編制的目的和意義、瓦斯地質(zhì)圖的分級(jí)、圖例、采掘工作面瓦斯地質(zhì)圖編制方法、礦井瓦斯地質(zhì)圖編制方法和礦區(qū)瓦斯地質(zhì)圖編制方法等內(nèi)容。教學(xué)內(nèi)容的附件部分為瓦斯地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，包括構(gòu)造煤觀測、煤的孔隙結(jié)構(gòu)測定、煤的堅(jiān)固性系數(shù)測定、煤的有機(jī)元素組成測定、瓦斯含量測定、瓦斯吸附常數(shù)測定、煤層瓦斯動(dòng)力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)等，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容緊跟課堂理論教學(xué)，涉及多種瓦斯地質(zhì)技能和思維的訓(xùn)練，對培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)具有重要作用。

3 教學(xué)方法改革

教學(xué)方法的使用目的在于通過靈活的教學(xué)形式，培養(yǎng)學(xué)生對瓦斯地質(zhì)的興趣，掌握瓦斯地質(zhì)相關(guān)的基本理論知識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生在瓦斯地質(zhì)觀測、試驗(yàn)、分析和預(yù)測方面的實(shí)際應(yīng)用能力，以適應(yīng)今后工作的需要。在教學(xué)過程中，堅(jiān)持以課堂講授為主、理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)并重的策略，重視啟發(fā)式、案例式、討論式等現(xiàn)代教育方法在教學(xué)中的應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用煤層瓦斯動(dòng)力作用模擬裝置等教學(xué)模型，供學(xué)生使用，啟發(fā)學(xué)生主動(dòng)研究和探討的興趣，提高學(xué)生的動(dòng)手能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造能力。針對課程教學(xué)中的重點(diǎn)、難點(diǎn)，可以采用啟發(fā)式教學(xué)，講授時(shí)力求深入淺出，用生活中的小常識(shí)啟發(fā)學(xué)生理解學(xué)術(shù)理論中的一些科學(xué)問題；案例式教學(xué)采用舉例的方法，把活生生的案例展現(xiàn)給學(xué)生，學(xué)生如同身臨其境，可以增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)；討論式教學(xué)一改平時(shí)教師一言堂的情形，采用師生之間平等互動(dòng)的方式，課堂上互相提問，隨時(shí)解答，遇到難點(diǎn)問題就重點(diǎn)解決，對于學(xué)生理解教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)行之有效。專家講座如同給課堂教學(xué)這種家常飯?jiān)鎏砹艘坏来蟛耍梢载S富教學(xué)形式和內(nèi)容，提高教學(xué)效果。

3.1 啟發(fā)式教學(xué)

針對教材中所謂的重點(diǎn)、難點(diǎn)，可以采用啟發(fā)式教學(xué)，例如，針對煤層瓦斯的賦存狀態(tài)和運(yùn)移特征，可以用潮濕的衣服啟發(fā)學(xué)生，由于水分子和衣服之間的耦合特征與瓦斯分子和煤基質(zhì)之間的耦合特征基本相同，因此解釋起來形象、直觀，學(xué)生很容易理解。針對煤層氣的卸壓抽采，可以把煤層想象為一個(gè)巨大的海綿彈性體，在圍巖壓力及煤層內(nèi)部的應(yīng)力降低的情況下，孔隙體積增大或裂隙貫通都有利于煤層氣的抽采。啟發(fā)式教學(xué)可以讓教師把前沿研究成果深入淺出地介紹給學(xué)生，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3.2 案例式教學(xué)

本課程采用實(shí)際發(fā)生的事件作為案例，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解釋現(xiàn)實(shí)問題的能力。針對構(gòu)造煤的結(jié)構(gòu)研究，從某煤礦某受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)破壞程度高的煤層取煤樣，以該煤樣為例，采用宏觀和微觀的研究方法，宏觀方法包括現(xiàn)場肉眼觀察和標(biāo)本觀察，微觀方法包括光學(xué)顯微鏡觀察和掃描電子顯微鏡觀察，理論教學(xué)結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際案例，有利于學(xué)生正確判識(shí)構(gòu)造煤。又例如，針對煤結(jié)構(gòu)對煤與瓦斯耦合動(dòng)力學(xué)特征的影響，舉例介紹專家學(xué)者在構(gòu)造煤方面的最新研究成果，讓學(xué)生能夠了解該方面科學(xué)研究的最新進(jìn)展和前沿。

3.3 討論式教學(xué)

針對學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中容易出現(xiàn)個(gè)別概念理解模糊的現(xiàn)象，可以采用討論式教學(xué)。例如，在教材的緒論部分，教師引導(dǎo)學(xué)生討論煤層氣和瓦斯的概念有哪幾層含義?！懊簩託狻币辉~意指賦存在煤層里的天然氣。如果討論“煤層氣”的成分，則包含甲烷、重?zé)N、二氧化碳、氮?dú)獾榷喾N氣體成分；如果計(jì)算“煤層氣”的含量或資源量，則僅指甲烷一種氣體的量?！巴咚埂币辉~是我國采煤界習(xí)慣用的術(shù)語，廣義上的瓦斯是煤礦井下除大氣以外的氣體總稱，包含賦存在煤層及巖層里并涌入到礦井的天然氣、礦井生產(chǎn)過程中生成的炮煙和其他廢氣、井下各種化學(xué)及生物化學(xué)反應(yīng)生成的氣體、深源放射性物質(zhì)蛻變生成的氣體、地下水釋放出的氣體等多種來源的氣體，其成分包括甲烷、重?zé)N、氫氣、二氧化碳、一氧化碳、二氧化氮、二氧化硫、硫化氫等。在確定“瓦斯風(fēng)化帶”時(shí)又指甲烷、二氧化碳和氮?dú)馊N氣體。通常所稱的“瓦斯涌出量”往往僅指甲烷一種氣體的涌出量，不包含二氧化碳和氮?dú)獾牧俊ＭǔＫQ的“煤層瓦斯含量”又僅僅指甲烷一種氣體的含量，所稱的“瓦斯資源量”也僅僅指甲烷一種氣體的資源量，如果計(jì)算包含二氧化碳在內(nèi)的含量，則需要加以說明。又例如，在瓦斯的生成理論部分，讓學(xué)生討論煤中三種有機(jī)顯微組分組的生烴潛能和生烴貢獻(xiàn)問題。殼質(zhì)組又稱穩(wěn)定組，在泥炭化階段和煤化作用早期，殼質(zhì)組內(nèi)的多數(shù)組分是穩(wěn)定的。這些組分現(xiàn)今的生烴潛能最強(qiáng)，可是過去的生烴貢獻(xiàn)卻最小。惰質(zhì)組組分現(xiàn)今的生烴潛能很弱，其化學(xué)結(jié)構(gòu)的芳構(gòu)化程度強(qiáng)，官能團(tuán)與側(cè)鏈幾乎全脫落，被認(rèn)為是具“惰性”的組分。惰質(zhì)組的成因很復(fù)雜，其中有些惰質(zhì)組組分天生如此，它們現(xiàn)今的生烴潛能弱，過去的生烴貢獻(xiàn)也小。惰質(zhì)組內(nèi)還有些組分并非天生如此，在以往的煤變質(zhì)作用過程中，與共生的殼質(zhì)組和鏡質(zhì)組比較，它們產(chǎn)出較多的氣態(tài)與液體烴，以致自身芳構(gòu)化程度增強(qiáng)。這些惰質(zhì)組現(xiàn)今生烴潛能弱卻是過去生烴貢獻(xiàn)大所造成的?？傊?，采用討論的方式澄清了某些概念的具體含義，對討論的結(jié)果進(jìn)行概括和總結(jié)，學(xué)生對某些知識(shí)的掌握更加牢固，討論式教學(xué)在課堂教學(xué)中得到了學(xué)生的普遍認(rèn)可。

3.4 綜合式教學(xué)

課堂教學(xué)過程中常?？梢园褑l(fā)式、案例式和討論式三種教學(xué)方式聯(lián)合使用，這就是綜合式教學(xué)法。例如，某礦有一條大斷層，以該斷層為界劃分為兩個(gè)采區(qū)。兩采區(qū)開采同一煤層，且煤厚和頂板均相同。該斷層為一不導(dǎo)氣的正斷層，斷層兩側(cè)的兩個(gè)采區(qū)瓦斯互不相通，各自為獨(dú)立的瓦斯區(qū)；煤層的直接頂?shù)装逡不旧喜煌笟?，瓦斯只有一個(gè)可能的逸散通道，即煤層對盤的巖層。由于這個(gè)斷層下盤的煤層對盤為導(dǎo)氣的泥質(zhì)砂巖，故下盤煤層瓦斯很??；斷層上盤的煤層對盤為不透氣的泥巖，故上盤煤層瓦斯較大。在教學(xué)過程中，教師對不同巖石的透氣性特征稍加提示，學(xué)生根據(jù)案例討論分析，問題很快迎刃而解。

3.5 聘請煤礦安全生產(chǎn)專家作學(xué)術(shù)報(bào)告或?qū)ｎ}講座

瓦斯地質(zhì)理論知識(shí)與煤礦安全生產(chǎn)密切相關(guān)，授課教師組織學(xué)生到煤礦生產(chǎn)一線參觀，聽專家報(bào)告或?qū)ｎ}講座，與煤礦安全生產(chǎn)專家面對面地交流，讓學(xué)生直接面對煤礦安全生產(chǎn)過程中可能遇到的實(shí)際問題，深刻領(lǐng)會(huì)到學(xué)習(xí)理論知識(shí)對于解決實(shí)際生產(chǎn)問題的必要性、重要性和迫切性。

3.6 加大實(shí)踐教學(xué)力度

除了形式靈活的課堂教學(xué)以外，實(shí)踐教學(xué)的形式和內(nèi)容也不斷豐富，實(shí)驗(yàn)室增加試驗(yàn)設(shè)備，校外增加實(shí)習(xí)基地，學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力可得到進(jìn)一步增強(qiáng)。

瓦斯地質(zhì)學(xué)的面向?qū)ο笫敲旱V安全生產(chǎn)或煤層氣開發(fā)相關(guān)的人員，要求理論與實(shí)踐并重。瓦斯地質(zhì)學(xué)課程建設(shè)初期以理論教學(xué)為主，實(shí)踐教學(xué)跟不上；隨著實(shí)踐教學(xué)條件的改善，已經(jīng)建立了瓦斯地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室，增添了開展多種實(shí)驗(yàn)所需要的儀器設(shè)備，實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件逐步完善，課程教學(xué)改革已經(jīng)到了水到渠成的階段。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的教學(xué)分為三個(gè)層次：(1)基礎(chǔ)認(rèn)識(shí)性實(shí)驗(yàn)。構(gòu)造煤的肉眼觀察、顯微鏡觀察和煤的堅(jiān)固性系數(shù)測試都是圍繞構(gòu)造煤的識(shí)別展開的，為基礎(chǔ)性、認(rèn)識(shí)性的實(shí)驗(yàn)。(2)操作分析性實(shí)驗(yàn)。煤的元素組成測試，包括有機(jī)元素組成和無機(jī)元素組成測試，有機(jī)元素組成主要測試C、H、O、N和S，無機(jī)元素可以測試20多種。煤的孔隙結(jié)構(gòu)測試包括測試孔徑分布特征、總孔容和比表面積。通過測試煤的元素組成和孔隙結(jié)構(gòu)，可以分析該煤體對瓦斯的吸附能力。(3)探索性實(shí)驗(yàn)。通過室內(nèi)瓦斯吸附、解吸和滲透實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生能夠綜合運(yùn)用煤巖學(xué)、瓦斯地質(zhì)、巖石力學(xué)、流體力學(xué)、熱力學(xué)、傳感器技術(shù)、測試技術(shù)等知識(shí)，有利于培養(yǎng)和增強(qiáng)學(xué)生的科研創(chuàng)新意識(shí)。另外，實(shí)習(xí)基地對瓦斯地質(zhì)課程教學(xué)起到了重要的推動(dòng)作用。隨著校企合作的不斷深入，宿州學(xué)院與皖北煤電集團(tuán)、淮北礦業(yè)集團(tuán)、第三勘探隊(duì)等大型企業(yè)合作建立了長期穩(wěn)定的實(shí)踐教學(xué)基地，本課程部分實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)已經(jīng)轉(zhuǎn)移到企業(yè)(煤礦、選煤廠和地質(zhì)勘探隊(duì))，學(xué)生大二進(jìn)行認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、大三到生產(chǎn)單位參加生產(chǎn)實(shí)習(xí)，聘請了企業(yè)的高級(jí)工程師和工程技術(shù)人員擔(dān)任學(xué)生的指導(dǎo)教師，提高了實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量。

4 改革考核方法

為了反映學(xué)生的知識(shí)面和綜合能力，增加了考核內(nèi)容，改革了考核方法。首先，建立試題庫，考核內(nèi)容覆蓋課堂教學(xué)內(nèi)容及瓦斯地質(zhì)學(xué)參考教材相關(guān)的所有知識(shí)，包括教科書和主要參考資料的內(nèi)容以及教師要求學(xué)生查閱的有關(guān)材料，以此檢測學(xué)生的自學(xué)能力，有效調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。其次，推進(jìn)電子化考試，學(xué)生在電腦上打開授課教師自主開發(fā)的考試系統(tǒng)即可答題，答題完成后自動(dòng)生成考試成績，客觀、公正、公開、透明，節(jié)約考試成本，提高考核工作效率。另外，還應(yīng)加大實(shí)踐能力考核的力度，提高實(shí)驗(yàn)課程成績在學(xué)生綜合成績中的比例。

5 結(jié) 語

瓦斯地質(zhì)課程內(nèi)容改革、理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)方法改革以及考核方式改革，使學(xué)生的瓦斯地質(zhì)理論知識(shí)和實(shí)踐技能得到了豐富和加強(qiáng)，有利于工程應(yīng)用性創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，符合地礦類工科專業(yè)建設(shè)、改革和發(fā)展的要求，符合服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展的要求。

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